炭黑尾气中可燃气态污染物的净化及余热利用

第15卷第1期1995年2月中国环境科学CHINAENVIR()NMTALSCIENCEVol，15.No.1February.1995炭黑尾气中可燃气态污染物的净化及余热利用张慧明林小妍(青岛建筑工程学院环境工程系，青岛266033)(山东国际天马实业有限公司，济南250012)魏建(青岛市城市综合开发总公司，青岛266。。3)文摘研究炭黑生产尾气中可燃气态污染物CO、H:及CH;等的净化及其余热利用。研究结果表明，采用直接燃烧法，不仅可将炭黑尾气中可燃气态污染物转化为无害的物质CO:和HZO，并可回收利用燃烧热，使炭黑生产余热利用率提高40%以上。直接燃烧装置可采用低热值尾气余热锅炉，并配置发电机组，即炭黑尾气发电。经济技术评价表明，采用直接燃烧法和炭黑尾气发电，其经济效益和环境效益十分可观关健词炭黑尾气，一氧化碳，氢气，余热锅炉。炭黑工业是典型的大气污染源，也是有代表性的高能耗工业部门，研究及开发炭黑尾气中可燃气态污染物的净化及余热利用，对炭黑工业降低能耗，提高有效能的利用率，高效净化气态污染物及清洁生产具有重要意义。本试验仅研究占炭黑总产量95%以上的油炉法炭黑生产尾气中的可燃气态污染物CO、H:及CH:等的净化及余热(燃烧热)利用。应用直接燃烧法，是目前我国炭黑工业尾气净化及余热利用的最佳方法，它不仅可将炭黑尾气中的可燃气态污染物经燃烧转化为无害的物质C():和HZO，同时还可以回收利用燃烧热，使炭黑生产余热利用率提高到40%以上，经济效益和环境效益十分可观。炭黑尾气及特性〔‘，’口1.1炭黑尾气的来源油炉法炭黑生产过程中，来自炭黑反应炉的高温炭黑烟气，经喷雾冷却塔和高温空气预热器的冷却、旋风除尘器预收集炭黑及袋滤器对炭黑微粒高效净化后的气体，称为炭黑尾气。炭黑尾气中炭黑的浓度为5一15Omg/m3，温度为200一23OC，压力为980一1177Pa。1.2炭黑尾气的组成炭黑尾气中除含微量的炭黑微粒外，还含有CO、H:、CH;、N:、CO:、O:、CnHm、NO二、SOx及HZS等，其主要组成如下:CO一12一16%;02一0.7~1.5%;HZ一5~7%;CO:一3~5%;CH4一1一2%;NZ一50一70%;可见，炭黑尾气中CO、H:及CH;均为可燃的气态污染物，是可回收利用的资源。1.3炭黑尾气的发生量根据炭黑燃料油、原料油、炭黑品种的元素分析以及炭黑尾气的组成，通过物料衡算可求出炭黑尾气的发生量。三种不同炭黑生产尾气发生量的计算值列于表1。由表1可见，每生产It炭黑，C()的排放量为2.1一3.6t;HZ为0.06~0.It;CH4为0.16~0.25t。显然，尾气中可燃气态污染物的含量很高，这是炭黑生产过程高能耗的主要原因之一。L4炭黑尾气的燃烧热炭黑尾气的燃烧热，可根据co、HZ和CH、完全燃烧时生成CO:和HZO的燃烧热进行计算，计算结果列于表2。表2中尾气的总热量，是指炭黑烟气的显热和化学热(燃烧热)之和。收稿日期:2993一07一071期张慧明等:炭黑尾气中可燃气态污染物的净化及余热利用表1三种不同炭黑生产尾气发生t的计算值(以每吨炭黑计)炭黑品种尾气量(Nm3)H2(’OH，CHCO体积(Nm3)质量(kg)体积(Nm3)质量(kg)体积(Nm3)质量(kg)6896101243高耐磨中超通用1148917232154122111587198462551775728403550229164183131355254表2三种不同炭黑生产尾气燃烧热的计算结果(以每吨炭黑计)总热量炭黑品种原料油(kg)尾气量(Nm3)燃烧热热量(kJ又108)相当标煤(t)燃烧热(kJX108)占总热量的百分比(%)相当标煤(t)高耐耐中超通用1148912211021l49780.780.79757065683757177571374LS炭黑尾气的特性炭黑尾气量较大，组成相当复杂，温度高且压力低，尾气中的炭黑微粒粒径小、密度低、粘着力和亲和力强，易在设备及管道内沉积和结垢，尾气湿度高，腐蚀性强，酸性露点高，操作条件相当苛刻。此外，尾气的热值较低，一般为2·93X106~3.349Xlo6)/Nm3，燃烧不稳定，易灭火，尾气为易燃易爆的气体。2试验方法2.1试验方案的选择田一种方法是从炭黑尾气中分离回收CO作为化工基本原料;另一种方法是将尾气作为燃料直接烧掉，并回收利用燃烧热。根据我国目前经济技术水平，确定采用直接燃烧法净化炭黑尾气，并利用燃烧热产生蒸汽及发电。2.2试验工艺过程炭黑尾气直接燃烧和利用燃烧热发电工艺过程如图1所示。来自袋滤器的炭黑尾气，经加压风机输送到余热锅炉的喷燃器内，在此与经空气预热器预热到2SOC的空气混合并燃lll333lll000图1炭黑尾气直接燃烧和发电工艺过程1.燃料油;2.原料油;3.燃烧炉;4.反应炉;5.预热空气;6.喷雾冷却塔;7.空气预热器;8.空气;9.旋风除尘器;10.脉冲袋滤器;11.炭黑尾气;12.炭黑(到造粒机);13.余热锅炉;14.过热蒸汽;15.汽轮机;16.发电机;17.变压器;18排汽筒;19.高压线架中国环境科学15卷烧。尾气燃烧将余热锅炉炉膛的温度提高到900~1。。o℃，锅炉内的水被加热并在上汽包内汽化，产生压力为2.45X106Pa的饱和蒸汽。此饱和蒸汽经过热器过热，成为温度为400C、压力为2.45X106Pa的过热蒸汽。该过热蒸汽推动汽轮机的叶轮飞速旋转，汽轮机带动发电机高速旋转并发电，发电机产生的电能，经变压器增压后输送到电网。炭黑尾气与空气在炉膛内燃烧后生成600〔C左右的高温气体，经空气预热器和省煤器后从排气筒排放到大气中。2.3主要试验设备及技术性能炭黑尾气直接燃烧和发电试验的主要设备包括低热值尾气余热锅炉、汽轮机、发电机及变压器等。低热值尾气余热锅炉:炭黑尾气直接燃烧设备，可采用QC12和QC22型低热值尾气余热锅炉。这两种锅炉是根据如下炭黑尾气的组成及热值设计的:CO一13.13%;HZ一6.7%;CH4一1.8%;02一1.0%;COZ一3.3%;N厂56.9%;HzO一1009/Nm3;发热值一3.oXIO6)/Nm3。这两种低热值余热锅炉的主要技术性能列于表3。发电机:发电机选用QFC型发电机，装机容量可分为150okw和30ookw两种。发电机的主要技术性能为:电压6300V;电流172A;三相;转数300orpm;频率soHz;功率因数甲=0.8;与装机容量相适应的配套设计列于表4。3试验结果及讨论闭3.1油炉法炭黑厂大气污染控制过程中，安装低热值尾气余热锅炉和尾气发电机组，回收得到的电能及热能的经济效益十分可观。一个年产1万t高耐磨炭黑的油炉法炭黑厂，安装QC12一10一25/400型余热锅炉一台和容量1500kw的发电机组后，每年发电10MkW，如每度电按0.55元计，每年回收电费550万元。此外，如采用背压式发电机组，每年还可得到压力为1.Zxlo6Pa、7.2x104t的蒸汽，如每吨蒸汽按80元计算，每年回收蒸汽的费用达576万元;每年节约标准煤约1万t。表3QC12和QC22型低热值尾气余热锅炉的主要技术性能技术性能尾气设计流量(Nm“/h)额定蒸发量(t/h)额定蒸汽压力(Pa)额定蒸汽温度(℃)给水温度(℃)空气预热温度(℃)排烟温度(℃)锅炉本体换热面积(m“)过热器换热面积(m“)省煤器换热面积(m”)空气预热器换热面积(mZ)节能效果(相当标煤)(t/a)设计热效率(%)QC12一10一25/400QC12一10一13QC22一20一25/400QC22一20一25/300120001200022000220002.45火1061.275X1062.45X1062.45又1063001052503341804415155040010526233419088151550拍侧，00﹄Qb︺0J引巴Jc八n乙庄八」睦旧飞吸，妇，1口﹄11，J400105250180226472383301000010000200002000081.2881.2881.2881.28表4装机容t及相应的配套设计装机容量炭黑产量(kw)15003000(t/a)1000020000尾气流量(Nm3/h)1200022000尾气热值(J/Nm3)3.0又1063.0X106余热锅炉发电机QC12一10一25/400QC22一20一25/400QFC一1.5一2OFC一3一21期张慧明等:炭黑尾气中可燃气态污染物的净化及余热利用3.2油炉法炭黑厂配置低热值尾气余热锅炉，将可燃的气态污染物CO、H:及CH‘直接燃烧转化成无害的物质CO:和HZO，彻底消除了尾气中可燃气态污染物对大气的污染。尾气中残留的痕量炭黑粒子部分被烧掉，为此，尾气中的大气污染物CO、HZ、CH4及炭黑微粒达到了高效净化，余热锅炉排放的燃余气完全达到并远远低于大气污染控制的排放标准。3.3试验结果表明，QC12和QC22型低热值尾气余热锅炉设计合理、技术先进、经济适宜、运行安全和操作稳定，这两种余热锅炉的设计均达到预期的目的，在我国有关行业的尾气余热利用上可推广应用。3.4QC12和Qc22型低热值尾气余热锅炉，是一种多管式喷嘴的老式锅炉，炉型较落后，每吨蒸汽锅炉的总重量，较国外同类锅炉约大4.88倍，即钢材耗用量大;炉膛容积的热强度较低，为9.75x108J/m，;水冷度较大，约为0.521;炉膛温度低于1000℃，尾气中残留的炭黑粒子不能全部烧掉，在对流管束和空气预热器的列管表面上易于沉积，由于没有清灰装置致使传热系数明显地下降;尾气中残留的炭黑粒子易堵塞管道和喷燃器的喷嘴，尤其是当尾气中含水量和炭黑浓度较高时，严重影响供汽和发电;尾气中所含的50:和503等酸性气体，使尾气酸性露点升高，当尾气的温度低于露点时会严重腐蚀管道及设备。3.5QclZ和Qc22型低热值尾气余热锅炉的喷燃器，其喷嘴规格为51mmX3mm，尾气中残留的炭黑粒子极易堵塞，尤其是尾气中含水量较高时，10天左右喷嘴就需要清洗一次，折装都很困难。如果喷嘴的规格改为108mmx4mm，尾气顺流喷人，炭黑粒子堵塞喷嘴的问题则可解决。4结论4.1采用直接燃烧法，是防治炭黑工业尾气污染大气最佳控制方法。尾气中可燃的气态污染物co、HZ及CH4等，经完全燃烧转化为无害的物质CO:和H20;尾气中残留的炭黑粒子部分被烧掉，也转化成CO:和HZO。为此，炭黑尾气达到高效净化，炭黑厂成为低能耗、有效能高效利用、大气污染物高效净化、清洁生产的化工厂。4.2采用直接燃烧法和尾气发电，是回收和利用尾气中可燃气态污染物燃烧热的最佳方法。直接燃烧法不仅可以销毁尾气中可燃的气态污染物和部分残留的炭黑粒子，还可以回收大量的热能，进而转化成电能。一个年产1万t高耐磨炭黑的油炉法炭黑厂，采用QC12一10一25/400型低热值尾气余热锅炉，并配置15ookw的发电机组，每年可发电10MkW，回收蒸汽7.2xl少t，节约煤炭1万t，每年可赢利200万元左右，炭黑生产余热利用率可提高40%以上，经济效益十分可观。炭黑厂也成为生产电力和热力的能源部门，电力和热力不仅自供自给，并将多余的电力和热力向厂外供给。4.3QC12一10一25/400型低热值尾气余热锅炉及装机容量为1500kw的尾气发电机组成套设备的投资，大约为250~280万元(包括设备的基本投资、安装及土建费用等)，只要2年左右的时间便可全部回收。4.4炭黑厂采用尾气直接燃烧和发电，其经济效益和环境效益颇为可观，为此，炭黑工业成为兼顾经济效益和环境效益及其同步发展的典范。炭黑工业大气污染控制技术及节能技术，具有普遍的意义，并接近国外同类大气污染控制技术的水平，在国内有关行业的尾气净化及余热利用上进行推广势在必行。参考文献l张慧明.辽宁化工，1980:(3);47~532张慧明.化工环保，1982;2(l):l~s3张慧明.重庆环境科学，1984，6(z):44一514全国化工技术培训教材编审委员会.炉法炭黑生产.北京:职工教育出版社，1988中国环境科学15卷C